Звуковые волны. Их использование

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И

ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧЕРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛЕПЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Физика»

Тема «Звуковые волны. Их использование»

Выполнил учащийся 258 группы

Грицкевич Владимир

Проверил преподаватель

____________________

2016

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................................................
...........................3

Звуковые явления.........................................................................
....................9

Свойства звука...........................................................................
.....................11

Скорость распространения звука..................................................................14

Музыкальная акустика …………..........................................................….....15

Резонанс в акустике........................................................................
................17

Анализ и синтез звука...........................................................................
...........19

Эффект Доплера в акустике........................................................................
....20

Звуковые удары...........................................................................
...................20

Шумы............................................................................
....................................22

Ультразвуки и инфразвуки......................................................................
......22

Звукозапись и фонограф Эдисона.................................................................24

Звуколокация....................................................................
................................25

Применение ультра и инфразвуков ………………………………................26

Ультразвуковая обработка.......................................................................
.....27

ВВЕДЕНИЕ

Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных. С точки зрения физики, звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п. Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика (от греческого akustikos - слуховой, слышимый). Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха неслышимы. Таким образом, распространение звука в воздухе начинается с колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела.

3

ЗВУКОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

При распространении звуковой волны происходит затухание звука, связанное с различными необратимыми процессами. Часть энергии, которая переносится звуковыми волнами, поглощается средой. Величина, равная отношению поглощённой звуковой энергии к звуковой энергии, поступающей в среду, называется коэффициентом поглощения. Коэффициент поглощения зависит от внутреннего трения (вязкости) поглощающей среды и от её теплопроводности. Он так же зависит от скорости распространения звука в этой среде, от плотности среды и частоты звуковой волны. Звуковая волна, распространяясь в некоторой среде, когда-нибудь доходит до границы этой среды, за которой начинается другая среда, состоящая из других частиц, в которой и скорость звука другая. На такой границе происходит явление отражения звуковой волны. При этом сгущение частиц превращается в разрежение, а разрежение - в сгущение. Происходит это потому, что колебания, принесённые волной к границе, передаются частицами второй среды и они сами становятся источником новой звуковой волны. Эта вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна.

На границе двух сред происходит частичное поглощение и прохождение звука в другую среду. Доля отражённой энергии звуковой волны зависит в основном от соотношения плотностей этих сред и состояния поверхности раздела.

СВОЙСТВА ЗВУКА

Ощущение звука вызывается звуковыми волнами, достигающими органа слуха - уха. Важнейшая часть этого органа - барабанная перепонка. Пришедшая к ней звуковая волна вызывает вынужденные колебания барабанной перепонки с частотой колебаний в волне. Они воспринимаются мозгом как звук. Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано). Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим барабаном, это звук низкого тона, свист - звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний.

4

Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука. Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертона, тем ниже звук, который он испускает при ударе по нему. Если взять несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий. Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Гром­кость звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью звука и амплитудой колебаний не простая.

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА

В том, что распространение звуковых волн происходит не мгновенно, можно увидеть из простейших наблюдений. Если вдали происходит гроза, выстрел, взрыв, свисток паровоза, удар топором и т.п., то сначала все эти явления видно, а только потом, спустя некоторое время, слышен звук. Как и всякая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний в ней. C скорость звука равна 331,5 м/с, а с повышением температуры увеличивается: u = 331,1Ö a T, где a = 1/273 - коэффициент расширения газа. В воде звук распространяется примерно в 4,25 раза быстрее, чем в воз­духе, а в твёрдых телах - ещё быстрее (около 5 × 103 - 6 × 103 м/с). С длиной волны l и частотой колебаний n скорость звуковой волны u связана формулой: u = ln. Скорость звука различна в разных средах. Например в водо­роде скорость распространения звуковых волн любой длины равна 1284 м/c, в резине - 1800 м/с, а в железе - 5850 м/c.

МУЗЫКАЛЬНАЯ АКУСТИКА

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с набором частот, который определяет акустический спектр звуковой волны. Различают три вида звуковых колебаний: музыкальные звуки, звуковые удары и шумы. Периодические колебания определённой частоты вызывают простой музыкальный тон.

5

Сложные музыкальные звуки - это сочетания отдельных тонов. Тон, соответствующий наименьшей частоте сложного музыкального звука, называют основным тоном, а остальные тоны - обертонами. Если частота обертона кратна частоте основного тона, то обертон называют гармоническим. При этом основной тон с минимальной частотой n0 называют первой гармоникой, обер­тон, с частотой 2n0 - второй гармоникой и т.д.

РЕЗОНАНС В АКУСТИКЕ

Звуковые колебания, приносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызывать в этих системах явление резонанса, т.е. заставить их звучать. Такой резонанс называется акустическим резонансом. Резонансные явления можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты. Т.к. камертон сам по себе даёт очень слабый звук, потому, что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающихся с воздухом, очень мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха, то камертон обычно укрепляют на деревянном ящике, подобранном так чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Ящики усиливают звук, вследствие резонанса между камертоном и столбом воздуха, заключённого в ящике. Этот ящик с камертоном называется резонатором или резонансным ящиком. Пример акустического резонанса можно наблюдать в следующем опыте. Роль ящиков в этом опыте чисто вспомогательная. Поставим рядом два одинаковых камертона, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, друг к другу. Ударим один из камертонов и затем приглушим его пальцами. Мы услышим, как звучит второй камертон. Возьмём два разных камертона, т.е. с различной высотой тона, и повторим опыт. Теперь каждый из камертонов не будет откликаться на звук другого камертона.

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЗВУКА

При помощи наборов акустических резонаторов можно установить, какие тоны входят в состав данного звука и с какими амплитудами они присутствуют в данном звуке. Такое установление гармонического спектра сложного звука называется его гармоническим анализом.

6

Раньше такой анализ действительно производился с помощью наборов резонаторов, в частности резонаторов Гельмгольца, представляющих собой полые шары разного размера, снабженные отростком, вставляющимся в ухо, и имеющие отверстие с противоположной стороны. Для анализа звука существенно то, что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон с частотой резонатора, резонатор начинает громко звучать в этом тоне. Такие способы анализа очень неточны и кропотливы. В на­стоящее время они вытеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми электроакустическими способами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преобразуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, а следовательно, имеющее такой же спектр; затем уже электрическое колебание анализируется электрическими методами.

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА В АКУСТИКЕ

Частота звуковых колебаний, которые слышит неподвижный наблюдатель в случае, если источник звука приближается или удаляется от него, отлична от частоты звука, воспринимаемой наблюдателем, который движется вместе с этим источником звука, или и наблюдатель и источник звука стоят на месте. Изменение частоты звуковых колебаний (высоты звука), связанное с относительным движением источника и наблюдателя называется акустическим эффектом Доплера. Когда источник и приемник звука сближаются, то высота звука повышается, а если они удаляются. то высота звука понижается. Это связано с тем, что при движении источника звука относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, скорость такого движения векторно складывается со скоростью распространения звука. Например, если машина с включенной сиреной приближается, а затем, проехав мимо, удаляется, то сначала слышен звук высокого тона, а затем низкого.

ЗВУКОВЫЕ УДАРЫ

Ударные волны возникают при выстреле, взрыве, электрическом разряде и т.п. Основной особенностью ударной волны является резкий скачок давления на фронте волны. В момент прохождения ударной волны максимум давления в данной точке возникает практически мгновенно за время порядка 10-10 с. При этом одновременно скачком изменяются плотность и темпера­тура среды. Затем давление медленно падает.

7

Мощность ударной волны зависит от силы взрыва. Скорость распространения ударных волн может быть больше скорости звука в данной среде. Если, например, ударная волна увеличивает давление в полтора раза, то при этом температура повышается на 35 0 С и скорость распространения фронта такой волны примерно равна 400 м/с. Стены средней толщины, которые встречаются на пути такой ударной волны будут разрушены. Мощные взрывы будут сопровождаться ударными волнами, которые создают в максимальной фазе фронта волны давление, в 10 раз превышающее атмосферное.

ШУМЫ

Наложение большого количества колебаний беспорядочно смешанных одно относительно другого и произвольно изменяющих интенсивность во времени, приводят к сложной форме колебаний. Такие сложные колебания, состоящие из большого числа простых звуков различной тональности, называют шумами. Примерами могут служить шелест листьев в лесу, грохот водопада, шум на улице города. К шумам также можно отнести звуки, выражаемые согласными. Шумы могут отличатся распределением по силе звука, по частоте и продолжительности звучания во времени. Длительное время звучат шумы, создаваемые ветром, падающей воды, морским прибоем. Относительно кратковременны раскаты грома, рокот волн - это низкочастотные шумы. Механические шумы могут вызываться вибрацией твёрдых тел. Возникающие при лопании пузырьков и полостей в жидкости звуки, которые сопровождают процессы кавитации, приводят к кавитационным шумам. В прикладной акустике изучение шумов проводится в связи с проблемой борьбы с их вредностью, для усовершенствования шумопеленгаторов в гидроакустике, а также для повышения точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации. Продолжительные сильные шумы (порядка 90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную систему чело­века, шум морского прибоя или леса - успокаивающее.

8

УЛЬТРАЗВУКИ И ИНФРАЗВУКИ

Сейчас акустика, как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых низких до предельно высоких, вплоть до 1012 - 1013 Гц. Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц называют инфразвуком, звуковые волны с частотами от 20 000 Гц до 109 Гц - ультразвуком, а колебания с частотами выше чем 109 Гц называют гиперзвуком. Этим неслышимым звукам нашли много применения. Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и в живом мире. Так, например, рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким образом, они заранее чувствуют приближение шторма или циклона, и уплывают в более безопасное место. Инфразвук - это составляющая звуков леса, моря, атмосферы.

ЗВУКОЗАПИСЬ И ФОНОГРАФ ЭДИСОНА

Вряд ли сегодня можно встретить человека, Который ни разу бы не слышал радио, магнитофон или проигрыватель. Без звукозаписи наша жизнь кажется немыслимой. А ведь всего немного более века прошло с того времени, когда американский изобре­татель Эдисон в 1877 году впервые продемонстрировал изобретённый им фонограф - прибор для записи звука. В фонографе лёгкая мембрана воспринимала звук и передавала колебания на иглу, движущуюся вдоль вращающегося валика, покрытого воском. Колебания иглы оставляли на валике звуковую дорожку. Профиль дна этой дорожки в сущности есть развёртка или осцилограмма колебаний конца иглы. Когда игла вновь проходила по ней, из мембраны доносился записанный звук. Изобретённый Эдисоном способ звукозаписи получил название механического. Используют его и сейчас, но, конечно, в новом качестве: мембрану, с её низкой чувствительностью заменили высокочувствительные микрофоны с электронными усилителями, а сигнал, преобразованный в механические колебания, записывают на металлической матрице, с которой затем печатают грампластинки. Запись ведут уже не иглой, а специальным резцом. Запись звука в виде борозды переменной глубины была заменена поперечной записью, то есть в виде борозды с поперечными извилинами увеличительное стекло.

9

ЗВУКОЛОКАЦИЯ

На явлении эхо основан метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения их месторасположений. Допустим, что каким-нибудь источником звука испущен звуковой сигнал и зафиксирован момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от него, вернулся и был принят приёмником звука. Если при этом был измерен промежуток времени между моментами испускания и приёма, то легко найти и расстояние до препятствия. За измеренное время t звук прошёл расстояние 2s , где s - это расстояние до препятствия, а 2s - расстояние от источника звука до препятствия и от препятствия до приёмника звука.

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВ И ИНФРАЗВУКОВ

Ещё полстолетия назад неслышимый звук был мало кому известен; первые научные изыскания носили чисто академический характер. Однако практика поставила некоторые неотложные задачи и новые открытия наметили пути к их разрешению. Неслышимый звук получил многочисленные применения.

Ещё сравнительно недавно никто не мог предположить, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи. В.В. Шулейкин в 1932 году обнаружил явление, которое он назвал "голосом моря". Взаимодействие сильного ветра и морских волн создаёт сильные инфразвуковые волны, которые распространяются со скоростью звука, т.е. значительно быстрее циклона. Они бегут по морским волнам, усиливаясь. Этот инфразвук может служить ранним предвестником бури, шторма или циклона. Ультразвуковым волнам было найдено больше применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2 .

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

Ультразвуковые волны так же используют в станках для обработки хрупких и твёрдых материалов. Основа станка - преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты.

10

К преобразователю присоединён специальный волновод, который, увеличивая амплитуду колебаний, передаёт их к инструменту такой формы, какой нужно получить отверстие. Инструмент прижимают к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят зёрна абразива размером меньше 100 мкм, смешанные с водой. Эти зёрна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зёрна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1 - 5 мкм. Но это не так мало! Частиц абразива под инструментом сотни и инструмент наносит более 20 000 ударов в одну секунду, поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие диаметром 20 - 30 мм в стекле толщиной 10 - 15 мм можно сделать примерно за одну минуту.

11